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  2009年8月,殲-15進行了首次飛行測試。除複合材料外,結構上採用自行研製還有摺疊機翼連線部分、起落架、武器掛架、著艦尾鉤、雷達告警天線等,其中起落架為雙輪結構並做了加強處理,但未有彈射起飛的處理,武器掛架採用了國產掛架以迎合國產武器的掛載,其中翼尖掛架的改動較大。  2011年4月25日,第二架殲-15原型機進行了飛行測試。  2011年年中,因特網資訊顯示殲-15採用了新型渦扇-10H改進型渦扇發動機。該型發動機是由渦扇10發動機發展而來的。起飛推力提高至12,800千克(125.4千牛),改善了加速性,使到其具有更為敏捷的推力瞬變能力和速度響應特性,滿足了艦載戰鬥機於起飛、復飛或逃逸效能上的需求,並且保證了比陸基發動機更強的抗畸變能力。551、552、553、555、556、557號原型機裝備俄製AL-31發動機型兩臺,單臺最大後燃器推力125千牛,應急起飛模式推力約128-132千牛。554號等原型機裝備瀋陽黎明航空發動機集團 WS-10H兩臺,單臺最大後燃器推力130千牛,應急起飛模式推力約135千牛。據殲15總設計師孫聰透露,國產的渦扇-10H版發動機仍有諸多問題待解決。殲-15近期已經批量產量,發動機仍用俄製AL-31F。

  2012年11月23日,首架殲-15原型機在遼寧號航空母艦上進行著艦測試和起飛測試成功。  2013年3月7日,身兼全國政協委員的殲-15總設計師孫聰於兩會期間接受中國新聞社訪問時透露,殲-15目前處於飛行員培訓階段,正在進行小批量產;中國下一代艦載機可能於2020年前問世。  2013年6月18日,殲-15再次在遼寧艦起降,並進行首次駐艦飛行。截止到2013年9月20日,殲15已知生產了7架原型機,編號為551、552、553、554、555、556、557,其中除554號採用了深灰色海軍塗裝外,其餘均為黃色原型機塗裝。

  2013年12月初,由中國著名軍事論壇“超級大本營”洩露一張採用標準的海軍灰藍色塗裝,座艙後部塗裝有海軍軍旗,垂直尾翼塗有一隻“飛鯊”圖案,機頭及垂直尾翼有正式編號的殲-15艦載戰鬥機,說明該型戰機已經通過試飛階段,正式進入中國人民解放軍海軍航空兵正式服役,並已進入量產階段。  2014年10月,一張疑似是彈射型殲15的照片在網路上流傳,代表中國可能已經開建有彈射器的航空母艦。  截至2017年10月首艘航母遼寧艦已經滿編24架殲-15。飛機編號從100-123,除110號機外均有圖片現身。  2018年4月,央視曝光了第二個殲-15團在遼寧號上的起降作業,目前編號最大為212。  2019年5月,殲-15首次部署到當時尚未命名的山東艦上,並首次在該艦起降。及後,該批新部署的殲-15於同年12月17日隨山東艦入役。

  據《南華早報》2018年7月的報道,中國軍事專家李傑認為,開發一種新的艦載戰鬥機以提高航母戰鬥群的戰鬥力是有必要的,他認為殲-31隱形戰鬥機未來有望取代殲-15戰鬥機。中國人民解放軍空軍中將張洪賀表示,中國正在開發一種新型艦載機。

  

  2012年11月3日,序列雙座版本的殲-15S進行了首次飛行測試,可以作為訓練和戰鬥等多種用途。該機原型機使用渦扇-10發動機。 2014年1月,殲-15S艦載戰鬥機掛載「夥伴加油吊艙」,並進行「夥伴加油」訓練。夥伴加油,即同型機加油,能大大增加「飛鯊」的載彈量,並延伸其作戰半徑。

  2017年4月央視證實新國產航母將換裝殲-15B型,機載換裝主動相控陣雷達,增強發現隱形戰機的探測距離,並進行彈射測試。該批殲-15B已於2018-2019年間部署至山東艦上。

  殲-15D是在殲-15S雙座型基礎上所研製電子戰攻擊機,該機曾被捕捉到攜帶類似KG600翼尖電子戰吊艙的裝置飛行,而這種裝置是中國安裝在為實施防空壓制任務(SEAD)進行優化的殲-16雙座戰鬥機上。 才在去年4月完成首飛的殲-15D電子戰攻擊機,近日被流出其機身已塗上海軍灰,可能表明該機結束試飛,小批量交付部隊試用。 殲-15D為了適應這套機載電子戰系統進行設計上的改動,包含去除了機頭部分的OLS-27紅外搜尋和跟蹤裝置,拆掉30毫米航炮和空速管,以及用有源電子掃描陣列雷達替換了機械掃描雷達。  報導強調,這些結構上的變化為殲-15D增加一個座位,使其能夠有效實現艦載操作,同時仍可以搭載足夠的彈藥執行任務。

  俄羅斯不予出售艦載機技術,殲-15的設計事實上由烏克蘭提供。氣動外形仿製自烏克蘭蘇-33艦載戰鬥機10架原型機的其中一架(實為機件狀態較好的T-10K-7,而T-10K-3僅充當備件而喪失絕大部分參考價值),並且融合了殲-11B的技術大幅改造,裝配前翼,並有摺疊式機翼、起落架強度增加、機尾裝有著艦尾鉤等艦載機特徵。邊條、升力前翼、摺疊機翼、摺疊尾翼、尾椎等,採用國產複合材料,複合材料的比例相比蘇-33有所增加,並採取了一定減重措施,殲-15空重估計小於19噸。電子裝置亦為中國產,原型機與蘇27側衛家族同樣具備了IRST紅外光電探測器,猜測飛行員同樣具備全方位頭盔瞄準具。  央視《軍事報導》2019年3月19日訊息,北部戰區海軍航空兵某部日前在渤海某海域,連續組織多架殲-15艦載戰鬥機空中加受油訓練,錘鍊部隊在複雜條件下的海空作戰能力,這是央視軍事報導首次放出殲-15夥伴加油畫面。

  與俄羅斯庫茲涅佐夫海軍上將號相同,遼寧號航空母艦沒有配備艦載機起飛彈射裝置,擁有一個14度滑躍甲板,並配有105米短距跑道兩條、195米長距跑道一條。  中華人民共和國曾於2012年11月23日由飛行員戴明盟將沒有武器外掛、完全拆除武器掛架及機炮備彈的殲-15(小於標準內油5.3噸,最大減重方案)成功降落在遼寧號航空母艦上,併成功在遼寧號航空母艦上放飛了採用同樣配置並帶有標準內油的殲-15戰鬥機552、553號(195米跑道)。  2013年6月30日6時15分,殲-15戰鬥機成功在遼寧號航空母艦105米跑道上進行了短距起飛,所用殲-15原型機無武器外掛、完全拆除掛架及機炮備彈,燃油約3噸。  2013年9月15日,中華人民共和國在渤海海域對殲-15戰鬥機艦上不同跑道的最大起飛重量進行了驗證,實驗中殲-15戰鬥機攜帶了霹靂-8訓練彈(紅色)、500公斤自由落體炸彈、鷹擊系列反艦導彈訓練彈(白色)、以及霹靂-12中距空空導彈訓練彈(白色),證實了在不同起飛陣位上的多工起飛最大重量。

  在24節甲板風,使用AL-31發動機 sep.3型時:  105米起飛陣位(遼寧號的短距離起飛點):殲-15最大安全起飛重量約28.7噸,掛載方案為2枚霹靂-12中距空空導彈、2枚霹靂-8B格鬥導彈,加油方案約9噸(內部燃油滿載)。  195米起飛陣位(遼寧號的長距離起飛點):殲-15最大安全起飛重量約29.3-31.5噸,掛載方案為6枚500公斤自由落體炸彈或2枚鷹擊系列反艦導彈、2枚霹靂-8B格鬥導彈,加油方案約9噸(內部燃油滿載)。
殲-15(代號:飛鯊,北約代號: Flanker-X2,側衛-X2)是一款30噸級重型艦載型第四代戰鬥機,以從烏克蘭取得蘇聯艦載機的原型機作為參考(本來內部該機稱為Su-27K,系列由解體後的俄羅斯延續開發,後來俄軍量產版本被稱為蘇-33戰鬥機),並獨立研發定型而成,同時由瀋陽飛機工業集團以殲-11B戰鬥機的生產為基礎製造,是中國海軍的第一代艦載機。2012年開始到遼寧號航空母艦服役,2016年,量產型號已經部署;2019年起部署於中國首艘國產航空母艦——山東號航空母艦上,屬於中國航空母艦計劃的一環。