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工程研究阶段到设计确定阶段的试飞：2011-2021号机
进入2014年之后，J-20的部署速度开始加快。2014年有4架J-20加入了试飞，2015年又有2架J-20被确认。这些J-20的编号使用了与此前的验证机不同的“201X”号段，因此推测这些飞机都是进入工程研究阶段的原型机。
日本人制作的歼-20原型机表。
这些原型机在成都制造完成后，迅速转场到西安阎良，进行试飞工作。由于使用原型机进行试飞的目的，是验证其作为实际服役的战斗机的能力，因此与验证机测试的飞行科目不同，这些原型机在安装了各种必要的传感器与数据链的情况下进行试飞。
另外，J-20的原型机在气动布局上进行了细节的改进，例如边条翼的扩大，翼面切尖等。可以看出，根据此前的验证机试飞的结果，J-20在气动布局方面进行了优化。除了翼面的尖端做了切角处理以外，被认为是襟副翼动作筒的整流罩在角度上也发生了变化。这些变化，都被认为是为了提高隐形性能做出的改善。
2011号歼-20原型机。与验证机相比，该机的机翼均进行了切尖处理。
此前在J-20验证机上使用的接近黑色的涂装也被替换，J-20的原型机使用了与F-22与F-35类似的暗金属灰色涂装。此外，雷达天线罩、机翼前缘与突出部的颜色差异与验证机相比更大，这可能与其采用的隐形涂料有关。
2016年，J-20在珠海航展上进行了展示飞行，当时参展的J-20在机腹下挂载了增大雷达反射面积的龙伯透镜。这意味着，到2016年11月，该机已经具备相当的反雷达隐形性能。
J-20的座舱盖也发生了变化。此前验证机使用的一体化无框架座舱盖在原型机上被有框架座舱盖所代替，同时该机的紧急弹射方式也发生了变化。估计验证机使用的抛盖弹射方式被原型机上舱盖导爆索+弹射座椅撞角的穿盖式弹射所取代。
在听取了试飞员们的意见之后，总设计师杨伟在2015年11月投入使用的最后一架原型机2017号机上对驾驶舱部分进行了大幅度的改进。虽然目前J-20的驾驶舱全貌还没有公开，但是从珠海航展上展示的模拟器来看，其正面与F-35类似，都使用大尺寸的触摸式显示屏。J-20的试飞员李刚也在电视节目中表示，J-20的驾驶舱“开关种类少得惊人”，“可以像玩电子游戏一样操作”。
著名军事媒体“东方钟摆”在2018年珠海航展上拍摄的模拟器照片，该模拟器被认为是歼-20所使用的。
仿照F-35的研制方法
2010年左右，中国从俄罗斯引进了一架Tu-204客机。该机在中国飞行试验研究院服役，在J-20试飞的同时，作为其分系统的验证机投入了试验。使用大型客机作为试验机的理由是，除了实际进行的试验设备以外，还需要搭载测量、记录、分析等设备的空间，而且还需要相当数量的技术人员来从事空中测试工作。在F-35的试验中也应用了类似的方式，洛克希德·马丁公司选择了波音737作为试验机。
中国飞行试验研究院的Tu-204试验机。
中国飞行试验研究院已经拥有了在Y-7与Y-8运输机基础上改进而成的试验机，并将这些试验机投入了J-10与J-11的研制过程中。在这种情况下，为了J-20的测试引进新的喷气式客机作为验证机的行为，很可能是试飞要求一定的飞行速度和试验区域较远的原因。
到目前为止，该试验机使用的分系统测试方式，与F-35在研制过程中所采取的方式非常类似。以F-35为例，在1996年概念验证阶段的验证机投入试飞之后，在系统开发和演示阶段洛克希德·马丁公司建造了多架验证机，进行实际测试飞行。另外，为了试飞该机所使用的EOTS光电系统和新型数据链，洛克希德·马丁公司选择了波音737改装的验证机，这一点也与J-20试飞中的表现非常类似。
F-35的开发，之后是洛克希德·马丁与波音的竞标。竞标阶段由于与预算执行相关，在这一点上各国有着很大差异。但是除此之外，J-20的研发方式或许是以F-35为蓝本的。
部队运用阶段的试飞：2101号机之后
2015年12月末，一架喷涂了黄色底漆，被赋予与此前完全不同的机体编号“2101”号的J-20被确认。第二年的2016年2月，“2102”号J-20也被发现。在这些飞机进行试飞之时，成飞所在的成都，一座巨大的飞机制造工厂大楼落成。
喷涂黄色底漆的2021号歼-20。
2016年11月，商业图像卫星确认，在西北某空军基地出现了2架J-20。2017年3月9日，中央电视台在新闻报道中确认了J-20已经部署到空军部队，在随后的商用卫星图像和中国国内的电视报道以外，J-20除了部署到西北某空军基地外，还被部署在东部某空军基地。2017年9月28日，中国国防部发言人在例行记者发布会上以答记者问的方式宣布，J-20已经列装空军部队。
在部署J-20的空军基地中，建立在戈壁沙漠上的西北某空军基地拥有亚洲第一大的广阔训练空域，是空军战术训练的研究中心。据悉，驻扎在这里的空军某旅主要任务，就是利用新型飞机进行战术研究。
另一处部署J-20的东部某空军基地，被定位为空军的飞行试验训练基地。该基地的任务是指导新型装备的操作与转换训练，具有“教导队”的性质。
综上所述，2015年底J-20开始正式交付空军，并转为初期低速生产。另外，考虑到西北部与东部两个空军基地的性质，同一时期开始，J-20在空军部队中进行试运行。
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