眼见喜欢的上司被调走，张衡立马辞职不干了，要专心做学问。大将军邓骘欣赏张衡的才华，多次征召他，张衡都不去。
后来在公元110年写出了着名的《南都赋》，《二京赋》和《南都赋》不仅成为了东汉文学的代表作，张衡也成为了文坛的顶流，和司马相如、扬雄、班固并称为汉赋四大家。
不过张衡的老上司鲍德生前一直没有忘记这个优秀的下属，多次热心举荐张衡，
于是公元111年，张衡再次上岸，被召进京城当官，4年后升任太史令，专门负责天文气象的观测和历法的制定，这专业就对口了。
张衡自此开始公费带薪搞科研。公元117年，张衡在西汉耿寿昌发明的浑天仪的基础上，做出了升级迭代的浑天仪2.0版，
他的浑天仪利用水力转动铜球，并且使铜球转动一周的速度和地球自转一周的速度一样，这样当铜球转动起来后，
人们在室内看着浑天仪就能知道室外的夜空中哪颗星刚升起、哪颗星已经到了半空中、哪颗星就要落下去了。张衡的浑天仪比西方的类似仪器早了近1400年。
一年后，张衡又写出了《灵宪》一书，这是我国第一部重要的天文学理论着作，在书中张衡全面阐述了天的生成和结构、宇宙的起源和演化、
日月星辰的本质等问题，并且第一次正确地解释了月食的成因，极大地提高了我国古代天文学水平，使其处于世界领先地位。
为了纪念张衡在天文学上的成就，联合国天文组织于1970年将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”，又于1977年将小行星1802命名为“张衡星”，
2003年国际小行星中心为纪念张衡及其诞生地河南南阳，将小行星9092命名为“南阳星”。之后，地动仪成了最强大脑张衡的新课题。
从公元92年到公元125年的30多年时间内，全国共发生了26次大地震，为了减少地震带给百姓的损失，张衡在132年成功创造了用于测定地震的候风地动仪。
公元138年，张衡的地动仪上西边的一颗铜珠突然掉落下来，当时京城附近并没有发生地震，于是大家都纷纷传言说张衡的发明就是个笑话，
但是没过几天，陇西发来急报，说那里前些日子地震了，所有人都大吃一惊，并开始重视起张衡的地动仪了。而此时的张衡已经因为为人耿直，
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