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歼-20隐形战斗机首架验证机于2011年1月11日中午12时50分左右进行首次升空飞行测试，13时08分成功着陆，历时18分钟。整个首飞过程在歼-10S战斗教练机陪伴下完成 。[5]
继2011年初的首飞后不到100天，中国新型的隐形战斗机歼-20完成了第二次试飞。2011年4月17日下午4点25分，歼-20的第二次试飞在四川成都某机场进行，试飞时间持续90分钟，是首次试飞时间的5倍。
2011年5月12日15时30分，歼-20进行了第五次试飞。此次歼-20试飞在空中进行了许多机动动作，包括S型机动，横滚机动以及大角度转弯等机动动作。起降的过程中，歼-20侧弹仓开启。
2011年6月1日和6月3日，歼-20在成都某机场连续三天进行了两次试飞，表明歼-20的试飞强度在逐渐增大。
2011年9月10日，网友上传了有史以来最为清晰的试飞视频，视频显示，歼-20两次起飞分别用时17秒和13秒，第二次使用了部分加力起飞，并且机动性能出色，同时机尾发动机蓝色火焰明显与歼-10等红色火焰有明显对照，起飞时机尾部气浪压缩剧烈似液态波浪（光线号技术验证机连续进行了三次长时间试飞，当日的试飞创造了歼-20自曝光以来一日多次试飞的新纪录，据称歼-20在试飞过程中多次进行了绕八字，低空高速通场后大仰角拉起，开加力小半径转弯等高难度飞行动作，展现出强大的低空机动能力。
据环球网国际军情中心2011年10月13日消息：网上传出一组国产第五代战斗机歼-20的最新试飞照片，据照片上显示，此次试飞歼-20再次收起了起落架，整个过程测试了飞机的整体机动能力。而照片上清晰显示出了歼-20战斗机升空后发动机喷出的蓝色火焰。
2011年12月15日，网友再次上传歼-20试飞精彩图片[6]。截至此时，歼-20已试飞62次，超过俄罗斯的T-50战斗机。
2012年3月10日，2002号技术验证机出现于中国某机场一架并进行了低速滑跑测试，照片显示这架歼-20战斗机和2001号停在一起，并进行了一系列露天科研调试。与2001号相比，2002号验证机外形改动较明显。
2012年5月12日，2001号原型机转场，飞往650千米外的阎良试飞院。这意味着歼-20已被空军选中，正转往试飞院进行高级测试。
2012年5月16日下午14时49分，经过一系列地面测试和高速滑跑后，2002号技术验证机首飞成功，并于15时08分安全降落。[8]
2012年10月20日，第三架技术验证机曝光。机身没有涂上编号，而且空速管也比前两架短了许多。[7]
2013年7月2日，歼-20再次升空，进行了2次各长达1个小时的试飞，试飞中主弹舱首次挂弹。[9]
2013年7月21日，歼-20再度试飞，并挂载两种新型格斗导弹，包括霹雳-10新型格斗导弹。
2014年3月1日中午12点左右，2011号原型机成功首飞，伴飞的是1架歼-10S战斗机。12点30分左右2011号原型机成功降落。[10]
2014年7月，2012号原型机进行了地面滑跑测试。有网友拍摄到该机成功首飞。
2014年11月20日，2013号原型机在成都飞机制造厂首飞成功，该机是歼-20的第五架原型机，也是改进批次的第三架原型机。[11]
2014年12月19日下午，2015号原型机首次升空试飞。该机是歼-20的第六架原型机，也是01批次的第四架原型机。值得注意的是，相比之前已经完成首飞的歼-20，2015号又有了新的改动，在机尾尾撑处做了削尖处理。
2015年9月18日15时35分，2016号歼-20原型机试飞成功。[12]该机利用透波材料对进气道鼓包、主翼前缘及腹鳍等处进行了重新设计，并延长了发动机舱以增强尾部红外隐身性能。
2015年11月24日14时15分，2017号歼-20原型机成功首飞。该机对座舱盖进行修型且使用了新型镀膜以减弱座舱空腔结构对雷达的散射。
互联网上出现了一架新的歼-20，与以往的歼-20明显不同的是，这架歼-20还处于只有底漆的“黄皮”状态，其机身编号也从以往的20XX直接晋升为2101号。
志。意味着歼-20的技术状态已初步确定。或许歼-20将很快进入部队服役。[13]
中国军迷又在互联网上发布疑似第二架“量产型”歼-20的照片，飞机编号为2102，仍然采用和2015年年底曝光的2101一样的黄色涂装。这似乎进一步佐证了外界有关它们是接近装备部队的“小批量生产”型号的猜测。[14]
网上又出现了一组照片黄皮歼20旁出现了礼仪小姐，这可能意味着歼20距离服役已经不远。
2016年7月4日，网上出现新的歼20试飞照片，在新的照片中，飞机机身不再刷试飞编号，中国空军“八一”的标识也变成了灰色。[15]
2016年10月，军事论坛出现歼-20的试飞照，可以看出，歼-20已换成双色斑块迷彩，极可能为量产型的涂装，并且两架歼-20一起试飞，显示试飞工作步入尾声，而且可能已经到了培训种子教官飞行员的阶段。[18]
2016年11月1日，珠海航展开幕2架歼20突然现身未落地飞完就走[19]。
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