在此期間，張衡已經在天文、陰陽、曆算等領域取得了極高的成就，尤其對《玄經》的研究更是如癡如醉。當時，大將軍鄧騭十分讚賞張衡的才華，多次向他發出征召，但張衡卻始終不為所動。終於，在永初四年（公元110年），張衡完成了他的傑作——《南都賦》。這部作品以其華麗的辭藻和深邃的思想，展現出張衡卓越的文學才華和深厚的文化底蘊。
元初二年（公元115年），張衡被任命為太史令，負責掌管天文、星曆、術算以及典籍等諸多事務。自此之後，他邁入了自己科學創造力最為蓬勃、科學成果最為斐然的輝煌時期。
僅僅兩年後，即元初四年，張衡成功發明出一種由水力驅動的渾天儀。在此期間，他還相繼撰寫了《地形圖》《渾儀圖注》《漏水轉渾天儀注》《靈憲》《靈憲圖》《算罔論》等一係列著作，而其中的《靈憲》更是成為了我國首部天文學理論巨著。
時光荏苒，在建光元年（公元121年），太後鄧綏駕崩，漢安帝開始親自執政。張衡隨即轉任公車司馬令，肩負起宮廷中司馬門的警備與接待之責。在這段時間裡，他又完成了《與特進書》《同周興議曆》《東巡誥》《日蝕上表》等重要作品的創作。
張衡從不貪圖功名利祿，即使多年來一直未能得到升職加薪，但依然堅持自己的原則。終於，在順帝永建元年（公元126年），張衡重新擔任了太史令一職。
然而，張衡的才華遠不止於此。在陽嘉元年（公元132年），他憑借著驚人的創造力發明了世界上第一台能夠測量地震方向的儀器——地動儀！這一偉大發明讓世人對他的智慧和才能讚歎不已。
不僅如此，張衡還曾經研製出用於觀測氣象的儀器——候風儀，以及能夠自動轉向的三輪指南車和自動起飛的木雕。這些發明無疑展示了他在科學技術領域的卓越成就。
麵對當時盛行的“讖緯之學”，張衡毫不畏懼，毅然上疏《論貢舉疏》，深刻揭露了讖緯的荒謬之處。在此期間，他還創作了眾多傑出的作品，如《順帝封事》《鴻賦並序》《舞賦並序》《羽獵賦》《陳事疏》等，充分展現了他在文學方麵的深厚造詣。
陽嘉二年（公元133年），張衡升任了侍中一職。有一天，漢順帝在內廷召見張衡，並向他詢問被天下人所痛恨的人究竟是誰。這時候，那些宦官們心裡非常緊張，生怕張衡會說出他們的壞話來。於是，他們一個個都惡狠狠地盯著張衡，企圖用這種方式讓張衡閉嘴。
麵對這樣的情景，張衡感到十分無奈。他知道，如果自己說實話，肯定會遭到這些宦官的報複；但如果不說實話，又會違背自己的良心。最終，張衡不得不說了一些假話來應對皇帝的問題，然後匆匆忙忙地離開了內廷。
回到家中的張衡，心情久久不能平靜。他開始思考起自己的處境來。他覺得，人生的吉凶禍福往往是難以預料的，而且其中的道理也是非常深奧微妙的，一般人很難弄明白。為了能夠保住自己和家人的性命安全，張衡決定要想辦法尋找一種解脫之道。
經過深思熟慮之後，張衡寫下了一篇名為《思玄賦》的文章。在這篇文章中，他充分發揮了自己的想象力和才華，通過描寫神仙世界的美好和神秘，以及人類社會的種種弊病和缺陷，表達出了自己對於人生和命運的深刻思考，同時也寄托了自己對於理想生活的向往之情。
張衡經常陪伴在順帝左右，但他從未投靠過宦官集團。然而，宦官集團卻一直將他視為心腹大患，並不斷地向順帝進獻讒言。終於，在永和二年（公元137年），張衡被排擠離開京城，出任河間相。
河間王劉政生活奢靡放縱，毫不遵守法律紀律；此外，還有許多豪強之徒聚集在一起作亂。張衡到任後，立刻嚴明法紀，嚴厲打擊豪強勢力，同時通過暗中探查掌握了奸黨的姓名，然後迅速將他們一網打儘。一時間，整個地區變得嚴肅而井然有序，他因執政清廉而聲名遠揚。
然而，此時的張衡已經深感朝廷的腐敗，意識到自己的誌向難以實現。於是，他寫下了《怨篇》和《四愁詩》來抒發內心的情感。此外，他還創作了《髑髏賦》和《塚賦》等作品。
永和三年（公元138年），張衡創作了《歸田賦》，並上書請求辭官還鄉。皇帝批準了他的請求，讓他返回京城，並征召他擔任尚書一職。第二年，張衡在憂鬱和淒涼的晚年心境中，病逝於尚書任上，享年六十二歲。
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