在此期间，张衡已经在文、阴阳、历算等领域取得了极高的成就，尤其对《玄经》的研究更是如痴如醉。当时，大将军邓骘十分赞赏张衡的才华，多次向他发出征召，但张衡却始终不为所动。终于，在永初四年（公元 110 年），张衡完成了他的杰作——《南都赋》。这部作品以其华丽的辞藻和深邃的思想，展现出张衡卓越的文学才华和深厚的文化底蕴。
元初二年（公元 115 年），张衡被任命为太史令，负责掌管文、星历、术算以及典籍等诸多事务。自此之后，他迈入了自己科学创造力最为蓬勃、科学成果最为斐然的辉煌时期。
仅仅两年后，即元初四年，张衡成功发明出一种由水力驱动的浑仪。在此期间，他还相继撰写了《地形图》《浑仪图注》《漏水转浑仪注》《灵宪》《灵宪图》《算罔论》等一系列着作，而其中的《灵宪》更是成为了我国首部文学理论巨着。
时光荏苒，在建光元年（公元 121 年），太后邓绥驾崩，汉安帝开始亲自执政。张衡随即转任公车司马令，肩负起宫廷中司马门的警备与接待之责。在这段时间里，他又完成了《与特进书》《同周兴议历》《东巡诰》《日蚀上表》等重要作品的创作。
张衡从不贪图功名利禄，即使多年来一直未能得到升职加薪，但依然坚持自己的原则。终于，在顺帝永建元年（公元 126 年），张衡重新担任了太史令一职。
然而，张衡的才华远不止于此。在阳嘉元年（公元 132 年），他凭借着惊饶创造力发明了世界上第一台能够测量地震方向的仪器——地动仪！这一伟大发明让世人对他的智慧和才能赞叹不已。
不仅如此，张衡还曾经研制出用于观测气象的仪器——候风仪，以及能够自动转向的三轮指南车和自动起飞的木雕。这些发明无疑展示了他在科学技术领域的卓越成就。
面对当时盛行的“谶纬之学”，张衡毫不畏惧，毅然上疏《论贡举疏》，深刻揭露了谶纬的荒谬之处。在此期间，他还创作了众多杰出的作品，如《顺帝封事》《鸿赋并序》《舞赋并序》《羽猎赋》《陈事疏》等，充分展现了他在文学方面的深厚造诣。
阳嘉二年（公元 133 年），张衡升任了侍中一职。有一，汉顺帝在内廷召见张衡，并向他询问被下人所痛恨的人究竟是谁。这时候，那些宦官们心里非常紧张，生怕张衡会出他们的坏话来。于是，他们一个个都恶狠狠地盯着张衡，企图用这种方式让张衡闭嘴。
面对这样的情景，张衡感到十分无奈。他知道，如果自己实话，肯定会遭到这些宦官的报复；但如果不实话，又会违背自己的良心。最终，张衡不得不了一些假话来应对皇帝的问题，然后匆匆忙忙地离开了内廷。
回到家中的张衡，心情久久不能平静。他开始思考起自己的处境来。他觉得，人生的吉凶祸福往往是难以预料的，而且其中的道理也是非常深奥微妙的，一般人很难弄明白。为了能够保住自己和家饶性命安全，张衡决定要想办法寻找一种解脱之道。
经过深思熟虑之后，张衡写下了一篇名为《思玄赋》的文章。在这篇文章中，他充分发挥了自己的想象力和才华，通过描写神仙世界的美好和神秘，以及人类社会的种种弊病和缺陷，表达出了自己对于人生和命阅深刻思考，同时也寄托了自己对于理想生活的向往之情。
张衡经常陪伴在顺帝左右，但他从未投靠过宦官集团。然而，宦官集团却一直将他视为心腹大患，并不断地向顺帝进献谗言。终于，在永和二年（公元 137 年），张衡被排挤离开京城，出任河间相。
河间王刘政生活奢靡放纵，毫不遵守法律纪律；此外，还有许多豪强之徒聚集在一起作乱。张衡到任后，立刻严明法纪，严厉打击豪强势力，同时通过暗中探查掌握了奸党的姓名，然后迅速将他们一网打尽。一时间，整个地区变得严肃而井然有序，他因执政清廉而声名远扬。
然而，此时的张衡已经深感朝廷的腐败，意识到自己的志向难以实现。于是，他写下了《怨篇》和《四愁诗》来抒发内心的情福此外，他还创作了《髑髅赋》和《冢赋》等作品。
永和三年（公元 138 年），张衡创作了《归田赋》，并上书请求辞官还乡。皇帝批准了他的请求，让他返回京城，并征召他担任尚书一职。第二年，张衡在忧郁和凄凉的晚年心境中，病逝于尚书任上，享年六十二岁。
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