'502' geralmente significa que o proxy nginx responsável pelo processamento de solicitações para uma instância flexível do App Engine não conseguiu entrar em contato com seu aplicativo e considera que ele não é saudável. Isso é feito por meio de verificações de saúde desse nginx executa.
Para testar que este é realmente o caso, você pode simplesmente desabilitar verificações de integridade em seu arquivo de configuração yaml e os 502s devem desaparecer. Observe que existem outras verificações de integridade de nível superior em vigor que ainda podem ser executadas e produzir outros 502s se o seu aplicativo estiver muito ocupado para responder.
Para garantir que as verificações de integridade sejam tratadas pelo seu aplicativo, seu aplicativo deve ser capaz de responder a solicitações simultâneas usando programação assíncrona. Existem muitos guias públicos disponíveis cobrindo programação do Node.js do Async e é altamente recomendado para investigar esses paradigmas ao codificar um aplicativo para a nuvem.