Menjadi pesawat operasional pertama yang mampu mencapai dan mempertahankan kecepatan lebih dari Mach 2,0, Lockheed F-104 adalah lompatan besar ketika masa itu semua pesawat berada di jalur kecepatan subsonik.
Berkat kinerjanya, Starfighter juga dipilih untuk melatih pilot uji untuk terbang X-15, sebuah pesawat ruang angkasa bersayap yang diluncurkan oleh-B 52 Stratofortress, terbang ke ruang angkasa dan kemudian mendarat konvensional.
Ide untuk memodifikasi beberapa F-104A untuk melatih pilot pesawat ruang angkasa disampaikan astronot Frank Borman, mahasiswa dan instruktur di Edwards Air Force Base, California, yang menjadi basis Air Force’s Aerospace Research Pilot School, yang kemudian berganti nama dengan U.S. Air Force Test Pilot School.
Modifikasi utama untuk Starfighters terdiri dalam penambahan mesin roket berdaya dorong 6.000 pound di dasar ekor vertikal, pendorong kontrol reaksi di hidung dan di setiap ujung sayap, ekor vertikal yang lebih besar, peningkatan rentang sayap, tangki untuk menyimpan propelan roket, , controller tangan kokpit untuk mengoperasikan pendorong kontrol reaksi, dan instrumentasi kokpit dimodifikasi.
Selain itu, peralatan yang tidak perlu, seperti sistem senjata, kontrol penembakan, taktis elektronik, dan tangki bahan bakar tambahan, telah dihapus. Para Starfighter yang dimodifikasi ini kemudian diberi nama NF-104. Mereka masuk dalam pelayanan di tahun 1963.
Hanya sekitar 35 siswa memiliki hak untuk terbang NF-104 dan setiap pilot harus dalam kondisi siap melakukan “penerbangan ruang angkasa” dengan menggunakan Starfighter. Misi pertama adalah sosialisasi tekanan penerbangan, dengan F-104 diterbangkan ke ketinggian dengan kokpit tekanannya memungkinkan siswa untuk mengalami penerbangan dalam setelan sepenuhnya bertekanan. Untuk berlatih profil zoom, penerbangan dilakukan dalam F-104 dua-kursi, dengan instruktur menunjukkan kepada siswa bagaimana mencapai ketinggian 70 ribu-80 ribu kaki melakukan pendakian 30 derajat, sedangkan tiga misi terakhir dibuat di Starfighter kursi tunggal meningkatkan sudut pendakian ke 45 derajat dan mencapai ketinggian 90.000 kaki. Setelah lima penerbangan persiapan ini, siswa akhirnya melakukan dua misi NF-104.
Seperti dijelaskan oleh Steve Markman dan Bill dalam buku mereka yang berjudul ”One Of A Kind Research Aircraft A History Of In Flight Simulators, Testbeds & Prototypes” silabus penerbangan yang khas dimulai dengan lepas landas dengan kekuatan jet, naik ke 30-40,000 kaki, dan mempercepat ke Mach 1,7-1,9. Kemudian pilot memicu mesin roket dan memulai pendakian curam.
Setelah dua menit Starfighter melewati 80.000 kaki, mesin jet dinyalakan, mesin roket kehabisan bahan bakar dan pilot memulai busur parabola dengan ketinggian puncak.
Itu selama busur parabola pilot mengalami “bobot” selama sekitar satu menit dan menggunakan sisi tongkat untuk menembakkan roket-roket kendali reaksi untuk mengontrol pitch, roll dan yaw gerakan pesawat.
Setelah di ketinggian yang lebih rendah, pilot restart mesin jet dan melakukan pendaratan konvensional: seluruh misi berlangsung sekitar 35 menit dari taksi ke pendaratan dan dilakukan dalam setelan penuh tekanan.
Satu NF-104 hancur pada 10 Desember 1963. Pesawat itu dipiloti legendaris Kolonel Chuck Yeager yang pada waktu itu merupakan Komandan Aerospace Research Pilot School. Yeager berusaha untuk mencapai rekor ketinggian dan setelah naik 60 derajat, ketika ia berada di 101.595 kaki, Starfighter mengalami yawing tak terkendali dan gerak bergulir. Yeager tidak dapat memulihkan pesawat dan dipaksa untuk melontarkan diri pada ketinggian 8.500 kaki.
Selama pemisahan dari kursi lontar nosel roket menghantam perisai wajahnya, sedangkan kombinasi nosel panas merah dan oksigen dalam helmnya menghasilkan api yang membakar wajahnya dan menetapkan beberapa tali parasut terbakar. Yeager mampu memadamkan api dengan tangan sarung tangannya dan setelah kecelakaan dirawat di rumah sakit selama dua minggu. Kecelakaan itu digambarkan dalam buku dan film dengan judul sama “The Right Stuff”.
Penerbangan NF-104 lain hampir berakhir dengan bencana terjadi pada 15 Juni 1971, ketika Kapten Howard Thompson mengalami ledakan mesin roket ketika mencoba untuk menyalakannya di 35.000 kaki dan Mach 1,15. Untungnya Thompson membuat landing aman di Edwards AFB menggunakan mesin jet normal.
Program ini dihentikan ketika diputuskan bahwa misi pelatihan kedirgantaraan akan dilakukan oleh NASA dan penerbangan NF-104 terakhir dilakukan pada Desember 1971. Selama pelayanan dengan Angkatan Udara AS ketinggian tertinggi dicapai oleh NF-104 adalah 121.800 meter, diraih oleh Mayor. Robert Smith.
